高崎線userのRailLIFE

電気工学のおべんきょう（？） その３ 直流直巻電動機編 その２

　先週の月曜日のことですが、会社で「営業のＹ君」に会ったら、

 

　「五十鈴さん、今週、ブログ上げませんでしたね。オレ、またいつ何時ひと様をイジるのかと思って、土曜・日曜に今朝までチェックしましたからね！」

 

だと。しっかりチェックしてくれてますね〜！

 

　前回まで「力行時」、つまり発車してから必要な速度まで加速していく段階での話をしてきましたが、今回は「制動時」、つまり停まるための段階について書いてみましょう。ここでは「モーターに外部から力を与えて回転させてやると発電機になる」原理を利用して、列車の持つ運動エネルギーを電気エネルギーに変え、更に抵抗器を通して熱エネルギーに変えて放散してしまう「電気ブレーキ（発電ブレーキ）」（以下特に断りが無く“電制”と言う場合、このブレーキシステムを指します）が主体となります。旧国鉄でこのシステムを使い出したのは、昭和32年に登場した90系電車（後の101系電車）からで、それまでは車輪を機械的に締め付ける物理的なブレーキが専らでした。電気ブレーキの併用により、車輪の損耗が減り、物理的なブレーキを掛けた時の鉄粉の飛散も相当に減らすことが出来ました。（もちろん、物理的なブレーキは「基礎的なブレーキ装置」として持っていましたが、この話はまた別途しましょう。）

　私の経験ですが、高校１年の時（昭和48年）、豊橋から静岡までを80系電車（13番線の最初の記事に出てくるあの車です）という電制を持たない電車に乗ってきたのですが、当然冷房など無く、窓を全開にしていましたら、家に帰ってふと目に違和感を覚え、こすってみたら角の尖った鉄粉が出てきました。よくも眼球を傷つけずに済んだもので、とくに乗っていたのが最後尾でしたので、ブレーキを掛けると各車両の台車から鉄粉が巻き上がるのが見えた位です。また平成７年、阪神淡路大震災の後、大阪店へ応援に行っていたとき、南海高野線の支線（天下茶屋〜汐見橋）に乗りに行きました。その当時でも電気ブレーキ付き車両が主流なのに、この線はかなりの「お古」が走っていて、当然電制を持っていませんでした。本線や高野線の線路を見ると、バラストが真白なのに、この線は電車がブレーキを掛けた時に飛び散る鉄粉で見事に赤茶けていて、その差には本当に驚きました。

 

　既に私が物心着いたころの首都圏では、電制を持った車両がほとんど、上述の80系も東海道線東京口では1運用しか無く、電制の無い電車に乗ろうとすれば、横浜線、南部線、鶴見線、御殿場線などに行かなければなりませんでした。この電制を持った電車の話についても、やはり中学時代に「鉄道ジャーナル」で読んだのでまとめておきます。また、ウイキペディアの「回生ブレーキ」というページもあり、併せて読んで頂ければ幸いです。

 

・電制と物理的なブレーキ（圧縮空気を使ってブレーキ装置を動かすので、

　以下“空制”と略します。）をまともに併用すると、電制の効く電動車（モーターを持っている車両）はブレーキ力が過大になる。

・従って、電制が効いている間は電動車の空制を加減していて、速度が下

　がって来て20km/hだかを切ると電制が切れて空制に切り替わる。なお、

　“切れて”、というより、速度の低下＝回転の低下によって十分な発電力

　（＝逆起電力）が得られなくなって電制が効かなくなるので、空制に切り

　替える。（この現象を前出のウイキペディアによれば“打ち切り”と言う

　そうです。）

・これが一番良くわかるのが、クモハ（制御電動車、運転台があってモー

　ターも持っている）で、ブレーキを掛けている時、クモハであれば運転台

　の圧力計は1.5Kg/cm2までしか上がらず、速度が落ちて20km/hだかを切る

　と、サッと圧力計の針が跳ね上がる。

 

　打ち切り現象発生の速度と空制調整中の圧力計の値は、もう記憶がアヤシイのですが、これを実際に確かめられたのは、多分京浜東北線の浦和電車区所属の103系、7＋3両の編成、あるいは平塚や小田原の競輪開催日に走った臨時電車の7両編成であったと思います。というのは、当時の東海道線東京口の主力車両である153系、111・113系には、元来「クモハ」が無く、同じ103系でも山手線用にはクモハを組み込んだ編成はありませんでした。そんな中で中学時代に私が乗る機会があったものと言えば、浦和の103系くらいだったと推定しております。

 

　結局、ブレーキを掛けるときに発電していながら、その電気は全部熱で捨てているというもったいない話を、電力として再利用出来ないか、というのが電力回生ブレーキの発想なんですが、「機関車図鑑　ＥＦ６４」の所で書いたように、当時の半導体技術ではなかなか難しい面があったようです。というのも、「電制」の中には目的に応じて「停止ブレーキ」と「抑速ブレーキ」と大まかに二種類があり、長い急勾配を下るときに空制を使わず、電制だけでほぼ一定の速度で下って行くのが「抑速ブレーキ」、これに回生機能を持たせていたのがEF16だったわけです。回生ブレーキとして作動させるためには、発電された電気の電圧が常に架線の電圧を少し上回っていなければならず、もし下回るとたちまち「回生失効」と言って、回生ブレーキが効かなくなってしまいます。こうなると、単なる直巻電動機ではダメで、回路を追加して界磁を制御し、常に電動機から出た電圧を架線電圧より上げてやる操作が必要になります。つまり、事実上は「複巻電動機」に近い構造となっていたわけです。

「鉄道メカニズム研究」より引用。別に、回路図が読める訳では無く、これでどうして回生ブレーキが使えるのか、説明できません…………

　EF16が「発電ブレーキ」でなく「回生ブレーキ」を採用したのは、何しろタイヤ緩みの対策が急務であり、これをなんとかするのが最優先であった事、当時の技術では大容量の抵抗器は重量が増えてしまい、最急勾配38‰という奥羽本線では列車の牽引重量に大きな影響を与えたからと推定するのがひとつでしょうか。後継機のEF64が回生機能を持たない発電ブレーキとしたのは、抵抗器の容量を大きくして熱で飛ばす方が当時の技術レベルでは楽だったのでしょう。また、抵抗器をなるべく小さく、軽くして、強制的にファンで風を送って冷却するという発想が、101系電車あたりから出てきて、技術的にもこの要求に追いつけるようになったからかと推定します。また、ほぼ一定の速度で勾配を下るための「回生機能の無い抑速ブレーキ」であれば、その制御も比較的簡単であったと考えられます。先ほどの「回生失効」は、電圧の問題だけで無く、電気を「食ってくれる列車」が居なくなれば発生します。ですから、ネットダイヤが組まれ、常に電気を食ってくれる列車が走っている横軽区間（碓氷峠）のED42や福米（板谷峠）のEF16でようやく実用化されていたのですが、「発電抑速ブレーキ」ならば、自車の抵抗器で電力を消費してしまう訳ですから、抵抗器の容量（冷却機能も、ですが）さえ確保しておけば問題は無い訳です。

　旧国鉄で最初に抑速ブレーキを装備したのは、「デラックス準急」の名で呼ばれた準急“日光”用の157系電車（昭和34年登場）で、その後上越線の特急「とき」用の161系、勾配線区急行用の165系、同じく勾配線区一般向けの115系などが作られました。実は、結構長野県下を歩いている割に「抑速ブレーキ」というものを意識したのは1回だけ。松本から夜行の「アルプス」で帰って来たとき、長い下り25‰を45km/h程でコンスタントにトロトロ下って行くので、「ああ、これが抑速ブレーキを効かせている走りか！」と思ったものです。

　では、今度は「停止ブレーキ」として回生ブレーキを使おうとすると、極論100km/h以上の所から停止までブレーキを掛けてくるわけですから、その発生電圧、電流ともに変化の幅が非常に大きく、高速域では電圧を抑制し、低速になるに従って電圧を上げてやる必要が出てきます。これは全く知らなかったのですが、昭和35年という早い時期に、東急が6000系（初代）で、複巻電動機を使った回生ブレーキ付き車両を世に出しており、直巻電動機のような電気子電流の抵抗制御ではなく、界磁電流の抵抗制御で力行、回生ともに行っていたんだそうです。時代が進み、界磁チョッパ制御の8000系なども出来て、私鉄の方は回生ブレーキが相当早くから停止ブレーキとして使われて居た訳です。

同じく「鉄道メカニズム研究」より引用。

　ところが、旧国鉄は、あくまでより構造の簡単な直巻電動機にこだわり、営団地下鉄千代田線と常磐線緩行の相互乗入れの時、営団では既に発熱量の少ない電機子チョッパの6000系が出来ていたのに、抵抗制御オンリーの103系1000番台を投入し、営団の者からは「結局アイツが入ってきて熱出して行く！」と後ろ指を指されていたような記事を読んだような記憶があります。

営団（現；東京メトロ）の6000系

　実際、冷房装置自体が又熱を出しますから、地下鉄の冷房というのはなかなか困難であろうと創造します。私の名古屋時代（昭和55〜58年頃）、地下鉄東山線は抵抗制御の100系、200系、300系が主力で、もちろん車両冷房は無く、新栄町など、12月中旬になっても改札口の係員が半袖のＹシャツを着ているのを見て驚いた事があります。確かにあの発熱量はハンパではなく、昭和57年からアルミ車体で冷房付きのチョッパ制御車、5000系が出るに至って、やっと「冷房車」の恩恵にあずかれるようになりました。

名古屋市交通局東山線　100系

　地下鉄でなくても、多分昭和50年頃の夏場、山手線にもまだ冷房車がほとんど居なかった時代、窓全開で内回り電車に乗っていて、外回りの電車とすれ違う度にものすごい熱風を喰らうので閉口した覚えがあります。また、昔の103系､113系などで通勤していた時代、夏など、ホームの最前列で電車を待っていて、電動車（モハ）が通り過ぎる時の暑さ（当然抵抗器の放熱ですが）も思い出しました。上尾に来てからでも、既に115系は高崎線上野口から退いていましたが、基本的には抵抗制御車である211系と、VVVFインバータ制御の231系では、ホームに入って来た時の暑さが大分違ったようにも思います。今やその211系が、高崎から先に行かないと見られないご時世ですが。

　という具合で、調べれば調べるほど解らない事が出てくる泥沼に自分で足を突っ込んでおりますが、まあ、トシヨリもアタマ使わないといけないから、脳トレとでも思って頑張りましょう！

しゃしん の おけいこ その５７

だいや　かいせい　しょにち　は　だいたい　なにか　ある　の　に　あて　ずっぽう　で　おけがわ　えき　まで　でかけた　ごいんきょ　が　また　はずれ　を　ひいて　かえって　きました　と　さ　ざまー

ダイヤ改正の初日、ムスメ（五十鈴拓磨・妹）は専門学校の卒業式で、籠原運用の最終日です。４月からは浦和運用になります。

しかし、う〜む、某サイトを見る限り、今日の4074ﾚはブルサントップだと踏んだんだが……何か、前にも同じ目に遭っておらんかな〜？

キンタクマイチことEH500-901も、相模貨物までやってくる運用に入るかと思いきや、小牛田に帰ってしまうし……

牽いている貨車と積み荷から見て、4074ﾚ（ダイヤ改正で列車番号変わったかも）ではあるんですが、ね……

電気工学のおべんきょう（？）その２ 直流直巻電動機編 その１

　しかし、何ですか！突然yahooブログイのサービス停止宣言って！ふっざけやがって！この先どこに乗り換えるか、セガレと相談してお知らせすることにいたします。

 

　さて、本題に入りましょう。

 

「ダメですよ！五十鈴サン、Ｓ２まで巻き込んじゃぁ！」

 

と、会社で“営業のＹ君”に怒られました。しかしイジる相手が居ないともう原稿を書く気力も起きてこない惨状（←　さっさと潰れてまえ、このボロブログがぁ！、と更に怒られそう……）なんで、何卒ご容赦頂くといたしましょう。

 

　これまでに、極めてベーシックな直流直巻電動機を使った抵抗・直並列・弱め界磁制御（以下単に「抵抗制御」とします。）については、中学校の頃に読んだ「鉄道ジャーナル」の、たしか「電気機関車を運転する」という記事でこの程度のレベルの理解はなんとなく出来ておりました。

 

・まず、最初からモーターに大きな電流を流したら巻線を焼いてしまうの

　で、モーターを直列に、抵抗器も直列に接続して低電圧・小電流で起動す

　る。

・回転が始まるとモーターに流れる電流が減ってくるので、機関士は電流計

　の針の動きを見ながらノッチを進め徐々に抵抗を抜いて電圧を上げ、電流

　を増やしていく。

・抵抗を全部抜いたら（最終段まで進んだら）これ以上電圧を上げられない

　ので、モーターを直並列（４コ以上モーターを持っている場合ですが）に

　接続し直して、回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

・直並列で最終段まで進んだら、モーターを全部並列に接続して、同じよう

　に抵抗器を抜きながら回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

・並列の最終段まで進んだら、モーターの磁界巻線の一部をショートさせて

　さらに回路全体に流れる電圧を上げ、また電流を増やす。

 

　この記事を読んだ後、例えば小田急の電車など、運転席に電流計がある電車で電流計の動きを見ていると、起動時にポンと跳ね上がった電流計の針が次第に下がって来て、また跳ね上がって、下がって、を繰り返していくのが解りました。小田急の場合、「フルステップ」というランプがあって、直列・直並列・並列・弱め界磁の最終段に入ったことを示している、とは運転士さんから聞きました。あと「弱界磁」のランプもあったかな？このことがもっとはっきり解ったのは名古屋時代、名鉄の3700系をはじめとした、いわゆる「ＨＬ車」に乗った時で、運転士さんは電流計の針の動きを見ながらノッチを進めていました。

 

　サイリスタ制御についても、「鉄道ジャーナル」の記事で、Ｎ型、Ｐ型の半導体を４つつないでおいて、そのうちの１つを抜き差しすることで回路に流れる平均的な電圧を制御する、という程度は知っておりました。多分旧営団6000系あたりの話、電機子チョッパ制御の事だったろうかと推測します。

 

　ただ、これはあくまで「力行時」、つまり電車が発車して加速していく段階の事で、停車する時の電気ブレーキ（以下“電制”と言います）については、単純に、

 

・モーターに外部から力を与えて回転させてやると発電機になる。

・そこで生まれた電気を抵抗器に通して熱にして飛ばしてしまうのが通常の

　電制（発電ブレーキ）。

・架線に返してやるのは別途「電力回生ブレーキ」と呼ぶ。

 

程度で、特に発電ブレーキでも「抑速ブレーキ」と呼ばれる、長い区間の勾配を一定の速度で下っていくための仕掛けがあることは知っていましたが、理論は判っておりませんでした。

 

　話が散らかるといけないので、まずは抵抗制御の力行時の話から進めようと思います。なお、ウイキペディアに「電気車の速度制御」というページがありまして、大変判りやすく書いてあります。このページも併せてお読みください。

 

　発車の時に起動させたモーターが、なぜ流れる電流が次第に減ってくるのかと言いますと、「モーターに外部から力を与えて回転させてやると発電機になる」という現象が、電源を与えられて回転しているモーターにも生じている、という事によります。これが「逆起電力」でして、まさに仕事のジャマをする「裏切り行為」に近い代物であります。このため、走行抵抗に打ち勝つだけのトルクを得て加速していくためには、電流を増やすために抵抗を抜き、あるいはモーターを直列から直並列、並列、とつなぎ替えていかなければならず、そのためには電圧も上げていかなければならない、とまあ、こう理解しておけばよろしいようです。

 

　さて、いよいよモーターは全部並列に繋いだ、抵抗も全部抜いた、さらに電流を上げてトルクを得て加速して行かなければならないというときに使うのが「弱め界磁制御」で、直流直巻モーターの界磁コイル（つまり回転しない方）の一部にバイパス回路を設けて、界磁電流を逃がし、界磁力を「弱めて」やるのです。本来、界磁力が大きくなればトルクも大きくなるはずが、例の「逆起電力」のせいで、発電機としての働きも強くなっていくので、ちょっと見には逆のようですが、磁界を「弱める」事で発電機としての機能を抑え、モーターの巻線に流れる電流を増やしてやろうというのがこの方式です。

 

　国鉄の201系、営団6000系などの「電機子チョッパ制御」は、抵抗器の代わりにサイリスタを使い、抵抗による熱損失（電気エネルギーの損失）無しで電流・電圧を制御する方法でして、「スイッチング機能」と呼ばれる、高速で「ON・OFF」の出来る装置に電流を流し、ONとOFFの時間の比率を変えてやる、あるいはON時間を一定にして周波数（周期）を変えてやるなどの方法があります。

 

　ここまでが「力行時」つまり発車してから必要な速度まで加速していく段階での話です。一方「制動時」つまり停まるための段階、これは話が長くなるんで、次回にまわすとして、ここでチト笑い話をば…………

 

　直流直巻電動機の回転方向は電源の極性（＋と−）を変えても回転子の磁束、界磁の磁束ともに逆になってしまうので回転方向が変えられない、と知りました。回転方向を変えるには図のような「Ｈスイッチ」と呼ばれる回路を作っておけば良い、とのことでしたがどう見ても電源の極性を変えたのと同じにしか見えません。Yahoo知恵袋にまで投稿してみたのですが決め手は無く、結局先日借りてきた本を見て、ようやく理解した次第。

(「モータのキホン」より引用）

（「これだけ！モータ」より引用）

　結局整流子の所に流れる電流の極性が変わらないといけませんから、「Ｈスイッチ」だけでどうして逆転するのか、未だ理解できず。何せこの程度だからナ〜。これから先、「自家中毒」で死んじまわないだろうなぁ……

　もうひとつ、この「おべんきょう」の途中で「整流子を持つ直流直巻電動機は単相交流を与えても回転する」と知って驚きました。旧国鉄が昭和２７年から仙山線で始めた交流電化の実験では、交流電源（単相50Hz、20,000V）を貰い直接交流モーターを回す「直接式」のED44型（後のED90型）と、整流器を使って交流を直流に直し直流モーターを回す「間接式」のED45型（後のED91型）が作られたわけですが、よもや、と思ってウィキで「ED44型」を検索しましたところ、モーターは「直巻整流子電動機」とありました。基本的な構造は直流直巻型と同じなんですね。ただ、交流電源の場合は、直流モーターの「逆起電力」ならぬ「変圧器起電力」なるものが生じ、これが磁界の磁力を打ち消す働きをするため、直巻モーターながら、直流用の４倍程度にあたる１４〜１６極の磁極を持たせていたこと、「大電流の開閉で接点の荒れが著しく」と何かに書いてあった記憶がありますが、20,000Vという高圧の電気をこれまで使った経験が無く、1運用毎に各ブラシの接点を研磨しなければならないなど、整備の手間がどうにもならないほど掛かって、結局整流器を使って直流モーターを回す「間接式」のED45が採用となった歴史があります。

　確かに、交流電源では、変圧器で簡単に電圧が制御でき、ED44も「低圧タップ制御」という、変圧器の低圧側にいくつもタップを設け、これで電圧制御をしていたようなのですが、

　電力　＝　電圧　×　電流

で、電圧を下げれば電流が大きくなる理屈。抵抗器が無くても制御出来たのか、別の方法があったのか、理解できておりません。

ダメだわ、この程度では…………

しゃしん の おけいこ その５６

　去る2/9、岡山機関区のA26運用、幡生から倉賀野までやってくる、高崎線内では唯一の「岡モモ」運用に、「モモトップ」のEF210-1が入っているという情報を得ました。ところがこの1066ﾚ、山陽線内で何かあったのか、1時間半程度遅れて由比を通過との情報。お天気は好天で昼近くの下り列車は「ガングロ」になるし、どこで上り列車にカブられるか判ったものではないので、日和って撮影取りやめ。

　その後、某サイトでは、戻りの3096ﾚは2/10「運休」。もともと日曜日は運休の列車なので、ならば月曜日の今日はどうか？車扱い貨物は日曜日でも動くくらいですから、あのコンテナ列車も動くんではないか？天気は曇りがちだし、倉賀野まで行けば停車中の列車が撮れるし…………との計算。ただ、気象庁の「アメダス」では、前橋あたりは日照時間が1（100%)、これもマズいんだよな〜、倉賀野まで行って「ガングロ」ではナ〜、雲がかかってくれることを期待しながら雪でも降ってきそうな北上尾を出ました。

　さて、倉賀野に着いてみると、シメシメ、４両と短いけどコキが停まって居るではないですか。やったね！

　操車係さんが出てきたから、もうすぐ機関車が来るゾ！

　え？！PF？

　尾灯を片方点灯して入換モード。

　転線してきて……

　操車係さんに聞いたら、これ、間違いなく3096ﾚ。こりゃ無いぜ！モモトップ、どこ行っちまったんだよ〜！！！\3,000.-近く金掛けて倉賀野まで行って、これかよ！

　Ｔ君よ、こういうのを「大ハズレ」と言うのだよ！

電気工学のおべんきょう（？） その１

　鉄道図鑑も「電車編」に突入するとなりますと、世のフツーの人であれば「乗ったら時間通りに走ってくれれば何の文句も無い」電車（このブログでは、話の都合上電気機関車も出てきますが）ですが、何せ今の首都圏、直流電源を貰っていながら直流モーターで走っている車の方が少数派でして、どうしても「毒」の毒たるゆえんとして、電車の制御方式の変遷に言及せざるを得ません。直流モーターによるごく基本的な抵抗制御（直並列制御とも組み合わせ）とかチョッパ制御のサワリ程度は中学時代に読んだ「鉄道ジャーナル」で知ってはいたものの、どなたが読まれるか解らんこのブログ、少々おさらいをしておこうか、と、安直に「ウイキペディア」を覗いて見ましたところ、

　「印加電圧」？？

　「逆起電力」？？

　「回転磁界」？？

と？？の連続、これでは「毒」の効き目を上げるどころか自分で自分の毒に中ってしまうことになりかねない情けない状態。大学では教養部時代に電気工学の講座も取ってはおりましたが、何せ４０年も前の話。教科書なんかとっくの昔に捨ててしまっているし、いきなり電気工学の本読んでも、どうせ着いて行けないのは見えた話ですので、図書館からこんな本を借りてきて、ようやく幾分は理解が深まりました。

　ところが、読んでいくうちにまた解らない所が出てきて、更にこんな本も借りたのですが、もうサイリスタチョッパ制御が出だしたあたりから、回路図なんか見たって全く理解できないではありませんか。ましてや最近の主流であるVVVFインバータ制御方法など言うだけ野暮。

　実は、ここで面白い出会いがありました。「営業のＹ君」の配下に、第二種電気工事士の資格を持っている好青年がおります。イニシャルが”Ｓ”で、宇都宮のＳ君とカブるので”Ｓ２君”としておきましょう。この事を聞きつけたので、

　「おい、Ｓ２、チト、教えろ！」

と相談を持ちかけましたところ、

　「え？！そんなもン、とっくに忘れました。フレミングの右手と左手、ですか？」

　「おお、左手がモーターで、右手が発電機らしいんだが、実際のモーターが電源貰って回っているときに発電機の動きの動きもするもんで、これが”逆起電力”とか言うらしくてナ……」

　「オレ、もう五十鈴さんの毒に中ってますよ！」

ということで、また「犠牲者」が増えそうですワ…………

　寒すぎて図鑑用の写真撮りに出かける気にもならんので、これから何回かに分けて「おべんきょう」の成果でも披露させて頂きたいと思います。あ、間違った事書いていたら遠慮無くツッコミ入れてください。多分何も答えられないだろうけど。（笑）